基于模型建構(gòu)的深度學(xué)習(xí)

朱巧玲

摘要 巧設(shè)問(wèn)題情境，依托物理模型引導(dǎo)學(xué)生對(duì)ATP結(jié)構(gòu)的深度思考，建構(gòu)概念模型促進(jìn)學(xué)生對(duì)ATP功能的遷移應(yīng)用，在實(shí)踐與探索中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和解決問(wèn)題能力，實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞 模型 深度學(xué)習(xí) ATP 教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào) G633.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

深度學(xué)習(xí)以發(fā)展學(xué)習(xí)者的高階思維為目標(biāo)，側(cè)重知識(shí)網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)，要求學(xué)習(xí)者能將知識(shí)進(jìn)行遷移運(yùn)用，甚至創(chuàng)造。模型與建模是一種重要的科學(xué)思維方法，模型是對(duì)客觀世界的抽象，建模是應(yīng)用建立模型解決問(wèn)題。基于模型的教學(xué)能引導(dǎo)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行思考、抽象、遷移、應(yīng)用，提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，實(shí)現(xiàn)從低階思維能力的淺層學(xué)習(xí)到高階思維能力的深度學(xué)習(xí)。

1教材分析及設(shè)計(jì)思路

“細(xì)胞的能量‘貨幣’ATP”是新人教版高中生物學(xué)《必修1·分子與細(xì)胞》第五章第二節(jié)的內(nèi)容。本節(jié)知識(shí)是糖類(lèi)、脂肪等能源物質(zhì)學(xué)習(xí)的延續(xù)，也為后續(xù)呼吸作用、光合作用的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》對(duì)本節(jié)課要求是“解釋ATP是驅(qū)動(dòng)細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)”。要使上述概念形成，需要解決2個(gè)核心問(wèn)題：1概述ATP作為直接能源物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn);2闡述ATP與ADP快速相互轉(zhuǎn)化是細(xì)胞吸能與放能反應(yīng)的紐帶。

與舊教材相比，新教材在分子水平對(duì)ATP易水解與供能機(jī)理的解釋更詳細(xì)。建構(gòu)ATP與載體蛋白的物理模型，利于學(xué)生深度思考ATP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，形成“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的生命觀念。學(xué)生建構(gòu)概念模型，可以抽象出ATP與細(xì)胞能量代謝的關(guān)系，形成知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)知識(shí)的遷移運(yùn)用。本教學(xué)設(shè)計(jì)以模型為主要載體，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，達(dá)成生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的目標(biāo)。

2教學(xué)目標(biāo)

1建構(gòu)ATP和載體蛋白的物理模型，從結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的角度，概述ATP作為直接能源物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

2建構(gòu)ATP和ADP相互轉(zhuǎn)化為核心的概念模型，闡述ATP與細(xì)胞代謝之間的能量關(guān)系，理解能量“貨幣”的涵義，形成生命的物質(zhì)觀、能量觀。

3通過(guò)對(duì)生活實(shí)例的分析，增強(qiáng)ATP知識(shí)的遷移運(yùn)用，培養(yǎng)解決問(wèn)題能力。

3教學(xué)過(guò)程

3.1實(shí)物觀察、資料分析，了解ATP的功能特點(diǎn)

教師提出問(wèn)題：ATP是物質(zhì)還是能量？學(xué)生回答后，教師展示ATP藥片，讓學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)ATP是一種物質(zhì)。

教師追問(wèn)：ATP與能量是什么關(guān)系呢？并展示材料，引導(dǎo)學(xué)生分析、思考：1884年，法國(guó)藥學(xué)家迪布瓦切取螢火蟲(chóng)的發(fā)光器并充分研磨，發(fā)現(xiàn)研磨液會(huì)發(fā)出短暫熒光。研究人員將不發(fā)光的研磨液分成兩組，分別滴加等體積的ATP溶液和葡萄糖溶液后，ATP組立即重新出現(xiàn)熒光，而葡萄糖組需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才會(huì)重新出現(xiàn)熒光。離體發(fā)光器研磨液熒光消失的原因是什么？對(duì)比兩組實(shí)驗(yàn)，螢火蟲(chóng)發(fā)光的直接能源物質(zhì)是什么？學(xué)生分析材料后，得出“ATP是直接能源物質(zhì)”這一結(jié)論。

設(shè)計(jì)意圖：深度學(xué)習(xí)需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)真實(shí)問(wèn)題情境，教師要引導(dǎo)學(xué)生積極體驗(yàn)和思考。實(shí)物觀察屬于感官體驗(yàn)，材料分析屬于理性分析，學(xué)生對(duì)能源物質(zhì)的認(rèn)知從“葡萄糖是主要能源物質(zhì)”向“ATP是直接能源物質(zhì)”發(fā)展，產(chǎn)生“ATP為什么適合作為直接能源物質(zhì)”的疑問(wèn)，順利過(guò)渡到ATP結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)。

3.2模型建構(gòu)、展示交流，明確ATP的分子組成

教師提問(wèn)：與葡萄糖相比，為什么ATP能作為直接能源物質(zhì)？接著，學(xué)生開(kāi)始建構(gòu)ATP的物理模型。在自學(xué)教材相關(guān)內(nèi)容后，學(xué)生小組利用教師給出的紙片模型（圖1），建構(gòu)ATP結(jié)構(gòu)的物理模型。然后，小組代表在黑板上用教師版模型（背后有磁鐵，可吸在黑板上）展示。教師引導(dǎo)學(xué)生修正模型，并讓學(xué)生利用模型講解腺苷、普通化學(xué)鍵、特殊化學(xué)鍵、ATP、ADP、AMP等。之后，教師提問(wèn)：ATP在結(jié)構(gòu)上有什么優(yōu)點(diǎn)，適合作為直接能源物質(zhì)？學(xué)生回答后，教師可利用磷酸基團(tuán)上的磁鐵，讓學(xué)生體驗(yàn)“同性相斥”，類(lèi)比新教材中“ATP中特殊化學(xué)鍵因相鄰磷酸基團(tuán)帶負(fù)電荷而相互排斥，不穩(wěn)定”這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

設(shè)計(jì)意圖：活動(dòng)與體驗(yàn)是深度學(xué)習(xí)的核心特征。

若教師只給出腺嘌呤、核糖和磷酸基團(tuán)的紙片模型，讓學(xué)生依照教材分子式建構(gòu)ATP模型，難以實(shí)現(xiàn)知識(shí)的批判理解。利用圖1所示元件建構(gòu)的物理模型既能反應(yīng)ATP的分子組成知識(shí)，又能激活學(xué)生的思維，提升建構(gòu)活動(dòng)的價(jià)值。脫氧核糖、核糖同時(shí)呈現(xiàn)，以設(shè)置干擾的方式引發(fā)學(xué)生思考，區(qū)分脫氧核糖與核糖的結(jié)構(gòu)，明確ATP分子中含核糖。五碳糖模型代替常規(guī)五邊形模型，能更科學(xué)地展示五碳糖的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。多種堿基可方便教師介紹UTP、GTP、CTP、dATP、dTTP、dGTP、dCTP等物質(zhì)，拓展學(xué)生對(duì)高能磷酸化合物的認(rèn)知。磁鐵的類(lèi)比應(yīng)用能讓學(xué)生理解ATP結(jié)構(gòu)具有不穩(wěn)定、易水解的特點(diǎn)。模型建構(gòu)的經(jīng)歷讓知識(shí)真正成為學(xué)生觀察、思考、探索、操作的對(duì)象，能促進(jìn)學(xué)生對(duì)ATP結(jié)構(gòu)進(jìn)行深度分析、評(píng)價(jià)，形成對(duì)知識(shí)的自我理解，建構(gòu)新知序列。

3.3模型演示、分析概括，理解ATP的供能機(jī)理

在學(xué)生建構(gòu)ATP模型后，教師整合教材內(nèi)容，教學(xué)ATP參與鈣離子載體蛋白的主動(dòng)運(yùn)輸，使學(xué)生從分子結(jié)構(gòu)視角理解ATP的供能機(jī)理。學(xué)生閱讀教材并在黑板上利用載體蛋白模型（教師提供）演示ATP參與主動(dòng)運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程（圖2）。

模型演示后，教師提出問(wèn)題，促進(jìn)學(xué)生思考：該過(guò)程體現(xiàn)了載體蛋白的哪些功能？ATP中的能量是如何轉(zhuǎn)移到載體蛋白上的？分析ATP結(jié)構(gòu)與供能機(jī)理，說(shuō)明物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能有怎樣的關(guān)系？

設(shè)計(jì)意圖：深度學(xué)習(xí)需要學(xué)生把握知識(shí)的內(nèi)涵與本質(zhì)。模型演示讓學(xué)生理解ATP磷酸基團(tuán)的“得”與“失”是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵，深化學(xué)生ATP供能機(jī)理的理解。教師提出的3個(gè)問(wèn)題幫助學(xué)生從感性認(rèn)知上升到理性認(rèn)知，實(shí)現(xiàn)對(duì)形象化模型的高度抽象，引領(lǐng)學(xué)生“發(fā)現(xiàn)”“歸納”出ATP供能機(jī)理的本質(zhì)特征，同時(shí)也顯化了“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的生命觀念。

3.4問(wèn)題探討、畫(huà)概念圖，領(lǐng)悟

ATP是能量“貨幣”教師展示材料：一個(gè)成人每天要水解并合成相當(dāng)于自身體重的ATP，以滿足正常生命活動(dòng)的需要;在緊張活動(dòng)的情況下，ATP的消耗可達(dá)0.5kg/min;人體中ATP的總量只有大約2mg，劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)只能維持3s。

教師根據(jù)材料，提出問(wèn)題串：人體如何解決ATP消耗量大而儲(chǔ)存量少這一矛盾？ATP與ADP轉(zhuǎn)化是可逆反應(yīng)嗎，為什么？人體細(xì)胞合成ATP的能量來(lái)自于哪里？植物細(xì)胞合成ATP的能量來(lái)源又有哪些？ATP水解釋放的能量還能用于哪些生命活動(dòng)？ADP合成ATP的過(guò)程是儲(chǔ)存還是釋放能量的過(guò)程，關(guān)聯(lián)細(xì)胞中的吸能還是放能反應(yīng)？ATP水解為ADP的過(guò)程是儲(chǔ)存還是釋放能量的過(guò)程，關(guān)聯(lián)細(xì)胞中的吸能還是放能反應(yīng)？當(dāng)學(xué)生解決該問(wèn)題串后，便能建構(gòu)出圖3的概念模型，抽象出能量通過(guò)ATP分子在放能反應(yīng)和吸能反應(yīng)之間流通。

教師結(jié)合圖3模型，類(lèi)比商品交易，脂肪、葡萄糖相當(dāng)于能源物質(zhì)中的“房產(chǎn)、存折”，必須通過(guò)細(xì)胞呼吸將能量轉(zhuǎn)移至儲(chǔ)存能量較少的ATP（“人民幣”），才能被細(xì)胞直接利用。學(xué)生因而理解ATP是細(xì)胞的能量“貨幣”。

設(shè)計(jì)意圖：深度學(xué)習(xí)需要對(duì)舊知識(shí)與新知識(shí)進(jìn)行有效和精細(xì)的深度加工，形成知識(shí)網(wǎng)絡(luò)以促進(jìn)知識(shí)的遷移應(yīng)用。概念模型可以讓學(xué)生從能量守恒的角度，理解ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化，伴隨著能量的釋放和儲(chǔ)存，聯(lián)系了細(xì)胞眾多的吸能與放能反應(yīng)。問(wèn)題串引導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)基于問(wèn)題的多維度、立體式的知識(shí)整合，將ATP直接能源物質(zhì)的知識(shí)以整合態(tài)、情境化的方式納入已有的能量代謝認(rèn)知結(jié)構(gòu)，有助于學(xué)生形成生命的物質(zhì)觀與能量觀，為知識(shí)應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.5模型運(yùn)用、學(xué)習(xí)材料，領(lǐng)略ATP的科學(xué)應(yīng)用

在學(xué)生建構(gòu)概念模型后，教師提出問(wèn)題：在1884年迪布瓦的實(shí)驗(yàn)中，葡萄糖組需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才會(huì)重新出現(xiàn)熒光。請(qǐng)你利用所學(xué)的知識(shí)解釋這一現(xiàn)象。學(xué)生分析后，得出科學(xué)解釋?zhuān)浩咸烟遣荒苤苯犹峁┠芰?，需要通過(guò)呼吸作用將能量轉(zhuǎn)移至ATP才能被生物直接利用，從而導(dǎo)致延遲發(fā)光。

隨后，教師向?qū)W生介紹螢火蟲(chóng)發(fā)光原理、ATP熒光檢測(cè)儀、熒光樹(shù)的發(fā)明等材料，了解ATP的科學(xué)應(yīng)用。

設(shè)計(jì)意圖：深度學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)知識(shí)的遷移與應(yīng)用，也注重評(píng)價(jià)促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)。學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原因解釋?zhuān)軝z測(cè)對(duì)ATP知識(shí)的應(yīng)用水平，培養(yǎng)分析、推理的科學(xué)思維。螢火蟲(chóng)發(fā)光、ATP熒光檢測(cè)儀和熒光樹(shù)等材料介紹，是ATP知識(shí)的遷移應(yīng)用，也能引導(dǎo)學(xué)生對(duì)自己所學(xué)的知識(shí)及知識(shí)發(fā)現(xiàn)、發(fā)展的過(guò)程進(jìn)行價(jià)值評(píng)價(jià)。

4教學(xué)反思

本節(jié)課通過(guò)巧設(shè)問(wèn)題情境和整合教材內(nèi)容，讓學(xué)生經(jīng)歷困惑、發(fā)現(xiàn)和遷移，沿著ATP“功能→結(jié)構(gòu)→應(yīng)用”的知識(shí)主線逐步學(xué)習(xí)，重視學(xué)習(xí)內(nèi)容的有機(jī)整合與深度加工。物理模型解決了ATP結(jié)構(gòu)與供能機(jī)理的教學(xué)重點(diǎn)，概念模型解決了ATP是驅(qū)動(dòng)細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)的教學(xué)難點(diǎn)，模型促進(jìn)學(xué)生的思維由形象上升到抽象，實(shí)現(xiàn)了模型應(yīng)用與高階思維培養(yǎng)的統(tǒng)一。建模過(guò)程的問(wèn)題串能引導(dǎo)學(xué)生深度思考，促進(jìn)科學(xué)思維培養(yǎng)和生命觀念形成，進(jìn)而有助于知識(shí)的遷移運(yùn)用。因此，學(xué)生的建模學(xué)習(xí)能克服對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)知困難，在親自體驗(yàn)和親手探索中實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn)：

安富海.促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的課堂教學(xué)策略研究[J].課程·教材·教法，2014，34（11）：57-62.

1794501705259